Introdução de transdutores. Notas de aula: Valner Brusamarello

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1 Introdução de transdutores Notas de aula: Valner Brusamarello

2 Aula 06 Prof. Valner Brusamarello Transdutores

3 Transdutores Definição: SENSOR: [VIM 2008] é um elemento de um sistema de medição que é diretamente afetado por um fenômeno, corpo ou substância que contém a grandeza a ser medida. Pode-se citar como exemplos: o elemento de platina de um termômetro do tipo RTD, rotor de uma turbina para medir vazão, tubo de Bourdon de um manômetro, bóia de um instrumento de medição de nível, fotocélula de um espectrofotômetro, entre outros. TRANSDUTOR: é um dispositivo que converte um sinal de uma forma física para um sinal correspondente de outra forma física. [VIM2008] é um dispositivo utilizado em medições, que fornece uma grandeza de saída que tem uma correlação específica com a grandeza de entrada. Pode-se citar como exemplos: termopar, transformador de corrente, extensômetro de resistência elétrica (straingage), eletrodo de ph, entre outros. Caracterização em relação a função Transdutores Sensores: detectam as variáveis do processo e as transformam para posterior processamento Transdutores Atuadores: alteram as variáveis do processo Transdutores Conversores: convertem e/ou transferem energia entre dois sistemas estímulo Transdutor resposta

4 Transdutores Sensores Humanos: Toque Grande parte do cérebro é reservada aos dedos e lábios

5 Transdutores Sensores Humanos: Visão

6 Transdutores Sensores Humanos: Visão Em termos de resolução e faixa dinâmica, o olho humano supera qualquer sensor eletrônico de luz disponível atualmente RESOLUÇÃO (pontos por mm 2 ) Olho Tubo Vidicon 1500 Câmeras (nem tanto) moderna 150 to 400 Foveon CMOS array 35000

7 Transdutores Sensores Humanos: Audição Células ciliares na Cóclea

8 Transdutores Sensores Humanos: Audição MEMBRANA DO TÍMPANO 50 a 90 mm 2 (aproximadamente circular) 0.1 mm de espessura Deslocamento mínimo detectável: 10 8 mm Deslocamento com desconforto: 10 1 mm A CÓCLEA Resposta em freqüência 50Hz to 17kHz (18-25 anos) Resposta acima de 10kHz abaixo de: 7dB (30-39 anos) 13dB (40-49 anos) 35dB (50-59 anos) O diâmetro do átomo de hidrogênio é de 10 7 mm Os microfones mais sensíveis são capazes de medir deslocamentos de 10 7 mm.

9 Transdutores Sensores Industriais Posição Velocidade Aceleração/Vibração Força/Pressão Tensão e Corrente Elétrica Temperatura Densidade Viscosidade PH...

10 Transdutor Sensor Características desejáveis: Devem interferir minimamente com as variáveis do processo ao monitorá-las Proceder a conversão da informação de uma natureza para outra da forma mais fiel, repetitiva e monotônica possível Transdutor Sensor Ideal Não extrai energia do mensurando Possui dimensão nula Não possui massa Não recebe energia de nenhuma fonte

11 Classificação de Transdutores Sensores Passivos Ativos Sensores passivos geram diretamente um sinal elétrico em resposta a um estímulo. Não emitem radiação. Retiram energia do processo estímulo Sensores ativos requerem ser excitados por uma fonte externa de energia para operarem. Esse sinal de excitação é modificado pelo sensor, em função do estímulo (mensurando), para produzir o sinal de saída. Podem retirar ou inserir energia no processo Transdutor resposta estímulo Transdutor resposta excitação

12 Transdutores Sensores Passivos e ativos

13 Classificação de Transdutores Sensores Simples Um transdutor é dito simples quando possui apenas um estágio de transdução entre entrada e saída grandeza física de entrada Composto Transdutor grandeza física de saída Um transdutor é dito composto quando possui mais de um estágio de transdução entre entrada e a saída grandeza física de entrada Estágio A Transdutor Estágio B Estágio C grandeza física de saída grandezas físicas intermediárias

14 Transdutores Sensores Simples e Compostos Simples (detector de proximidade indutivo) Produz uma variação de tensão elétrica quando algum material ferromagnético se movimenta próximo ao sensor (bobina em conjunto com um imã) Composto (célula de carga) Estágio 1: Elemento Elástico - converte força ou pressão em deformação mecânica Estágio 2: Extensômetros de resistência elétrica convertem deformação mecânica em variação de resistência elétrica Estágio 3: Converte variação de resistência em variação de tensão elétrica

15 Princípios Físicos dos Transdutores Sensores Efeitos Mecânicos Deslocamento e Velocidade (molas, diafragmas, bimetais, sistemas massa mola) Efeitos Elétricos... Variação de Resistência Efeitos Termo-resistivos, Mecano-resistivos, Eletro-resistivos, Fotocontutivos. Variação de Capacitância Variação de Indutância Princípio do Gerador Elétrico (lei de Faraday), Efeitos Fotoelétricos Princípio do Pirômetro de Radiação, Efetito Fotovoltáico,... Efeitos Termelétricos Efeito Peltier, Efeito Thompson, Efeito Seebeck Efeito Piezelétrico

16 Princípios Físicos dos Transdutores Sensores Efeitos de Deslocamento e Deformações Mecânicas Relativas Deslocamento ou mudança de dimensão em função da temperatura Mudança na pressão de gás ou vapor confinado em função da temperatura Fusão, amolecimento ou vaporização de materiais a temperaturas fixas As leis de Newton do movimento e da atração gravitacional A lei de conservação da energia A lei de conservação da quantidade de movimento linear e angular A lei de Hooke Em um material elástico, a deformação relativa é proporcional a tensão mecânica aplicada Os princípios de equilíbrio estático Teorema de Bernoulli Quando a velocidade de um fluído aumenta, sua pressão estática diminui e vice-versa Princípio de Arquimedes Lei de Pascal

17 Transdutores Sensores Mecânicos Chave Mecânica Empregada como Sensor de Proximidade, detectando a presença ou ausência de um objeto Operações liga/desliga Tipos Normalmente Aberto Normalmente Fechado Existem em uma grande variedade de formas para uma diversidade de aplicações Desgaste mecânico dos componentes, transitório de contato Comum Atuador Normalmente Fechada Normalmente Aberta

18 Transdutores Sensores Mecânicos Função de Transferência Teórica Resistência de de entre terminais (Ω) (Ω) 0 Desligada Transitório Ligada Posição do do Cursor Atuador

19 Exemplos de detectores de Proximidade tipo Chaves Mecânicas

20 Aplicações e Usos Características de Chaves Mecânicas Fácil de integrar em máquinas de qualquer tipo Requer Contato Tensão de operação: verificar limites, CA, CC Muito Robustas (a prova de explosão, se necessário) Normalmente empregadas como: limitadores indicador de presença ou ausência indicar de porta aberta ou fechada

21 Exemplo do Uso de Chaves Mecânicas

22 Transdutores Resistivos Fornecem uma resistência em resposta ao estímulo Potenciômetros Posição do cursor Extensômetros Deformação linear Termoresistores Temperatura Fotocondutores Intensidade Luminosa

23 Transdutores Potenciométricos Fornecem uma resistência em resposta a posição do cursor Posição do Cursor Potenciômetro Resistência

24 Transdutores Potenciométricos Função de Transferência Teórica A resistência é diretamente proporcional ao comprimento do condutor R R x R x lx = ρ = A kl ρ A Rx = kr para 0 < k < 1

25 Transdutores Potenciométricos Potenciômetros Rotativos Respondem a posição angular do cursor Terminais folhadas a ouro e barra de continuidade Encapsulamento Bucha de Bronze Elemento Resistivo Haste de Aço Inoxidável Contato Deslizante de Metal Precioso

26 Transdutores Potenciométricos Potenciômetros Lineares Respondem a posição linear do cursor Elemento Resistivo Terminais Folhados a Ouro Amortecedor Trilho guia Haste de Aço Inoxidável Contato Deslizante de Metal Precioso Modificação da Haste

27 Transdutores Potenciométricos Tipos de Potenciômetros Fio O contato desliza sobre um enrolamento de fio de Níquel-Cromo O fio tende a se danificar, mal contato, variações com a temperatura Cerâmico O contato desliza sobre uma trilha de cerâmica resistiva Melhor do que os potênciometros de fio Filme Plástico Alta resolução Alta durabilidade e baixa sensibilidade a temperatura

28 Transdutores Potenciométricos

29 Transdutores Potenciométricos Exemplo de Aplicação Medindo a posição do eixo de um servoposicionador Referência (Set Point) + Controlador Motor Redução Vref _

30 Transdutores Potenciométricos Exemplos de Aplicação Sistema de Direção Automática Uma saída analógica determina com precisão a posição angular do eixo da barra de direção, utilizando um sistema que integra um conjunto de redução mecânica e um sensor potenciométrico de filme resistivo O sensor fornece um sinal ao microprocessador para que este detecte e corrija qualquer desvio entre o curso atual e o desejado

31 Transdutores Potenciométricos Exemplos de Aplicação Sistema de Posicionamento de Bancos de Automóveis Um sistema integrado contendo os posicionadores e sensores potenciométricos de posição para as três direções de ajuste da poltrona

32 Transdutores Potenciométricos Exemplos de Aplicação Sistema de Medida de Posição de Pedal em Máquinas Pesadas Uma saída analógica determina a posição do pedal a medida que este pressiona eixo do sensor potenciométrico linear de filme resistivo O sensor fornece um sinal ao microprocessador para que este processe e determine as ações necessárias como por exemplo aumentar a injeção de combustível, frear, etc...

33 Transdutores Potenciométricos Exemplo de Condicionamento Normalmente empregado como Divisor de Tensão Normalmente empregado como Vcc R3 Divisor de Tensão Circuito Completo R2 U2 TL431 P1 + Vo V in R V in R R1 U1 OPAMP5 Vout Vout Fonte de Referência Seguidor de Tensão (Buffer)

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